تأتي الحمم في «نكهتين». ربما اكتشف العلماءُ السببَ أخيراً

في عام 2018  أثناء قضاء إجازة عائلية ، كانت جيني سوكال Jenny Suckale تتجول عبر تدفق حمم هاواي القديمة عندما لفت انتباهها تغيُّر مفاجئ في الصخور السوداء الفاحمة. فمن ناحية كان نوع الحمم البركانية الأملس المتموج يُسمَّى Pahoehoe (يُنطق Pah-hoy-hoy من لغة الهاواي)؛ من ناحية أخرى كان النوع الحاد المسنن يُعرف بــ aa (يُنطق آه آه). منذ ذلك اليوم، أثار سؤال بسيط مخادع سوكال، عالِمة الجيوفيزياء بجامعة ستانفورد Stanford University: ما الذي يُسبب التحول الدراماتيكي في النسيج، المرصود في الحمم حول العالم؟

على مر السنين، أشار العلماء إلى عدد كبير من الأسباب المحتملة: سرعة التدفق، أو منحدر الأرض الذي تنساب الحمم من فوقه، أو كمية الحمم البركانية المندلعة. لكنه لم يفسر أيُّ عاملٍ وحدِه التحولَ. الآن، من خلال نمذجة ديناميكيات تدفقات الحمم البركانية، قدمت سوكال وزملاؤها تفسيراً آخر: يمكن أن يحدث التحول المفاجئ بفعل اضطراب فوضوي داخل فيضان الصخور المنصهرة، حسبما أفاد الفريق في مايو 2023 في رسائل الأبحاث الجيوفيزيائية Geophysical Research Letters.

إن فهم كيفية تحول الحمم البركانية Pahoehoe إلى حمم بركانية خشنة aa هو أكثر من مجرد فضول علمي لأن نوعي الحمم البركانية يتحركان بسرعات مختلفة ويشكلان مخاطر مميزة. فعلى الرغم من أن العلماء بارعون عموما في التنبؤ بإلى أين تذهب الحمم البركانية، إلا أن تحديد السرعة والبعد عن الحمم البركانية هو مشكلة أكثر تعقيداً. يقول ليف كارلستروم Leif Karlstrom، عالم الأرض Earth scientist من جامعة أوريغون University of Oregon، والذي لم يكن جزءاً من فريق الدراسة: «إن القدرة على رسم هذا الانتقال بين أنواع التدفق من شأنه أن يقطع شوطاً طويلاً نحو حل هذه الأسئلة».

لإجراء هذ النمذجة الجديدة، استلهمت سوكال وزملاؤها تجربة أُجريت منذ قرن تقريباً من قبل الجيولوجي أو. أتش. إيميرسون O. H. Emerson من جامعة هاواي University of Hawaii في مانوا. سحق إيمرسون القليل من الحمم Pahoehoe المتصلبة من انفجار بركان كيلاويا Kilauea في عام 1920 بهاواي، وسخّن مسحوق الصخور في فرن حتى صار لونه أبيضَ ساخناً وينز مثل العسل، ثم أوقف الفرن وحرك المادة المنصهرة بقضيب معدني.

في غضون دقائق، تحول إلى قوام مكتنز يشبه الحمم البركانية aa. يقول المؤلف الرئيس للدراسة كانسو كولها Cansu Culha، وهو زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة كولومبيا البريطانية University of British Columbia: مثل تقليب فنجان من الشاي، فإن خلط الحمم البركانية يسرع التبريد – ويبدو أنه أدى إلى تكوين الحمم البركانية aa.

تساءل الباحثون عمَّا إذا كان المزج قد يؤدي أيضاً إلى إحداث تحوُّل في الطبيعة، من خلال ظاهرة تسمى عدم استقرار القص Shear instability. عندما تتحرك طبقتان داخل مادة متدفقة بسرعات مختلفة عن بعضهما البعض، تسحب الطبقة الأسرع الطبقة الأبطأ على طول مسارها. تقول سوكال: «إنها تفرك بعضها بعضا». والنتيجة هي أن أي تموجات على طول الحدود بين الطبقات يتم تكبيرها فتظهر على شكل موجات مضطربة.

لاختبار الفكرة، صمم الباحثون نمذجة لديناميكيات السوائل لمحاكاة سلوك الحمم البركانية الافتراضية المنقسمة إلى طبقتين: قمة أكثر برودة ولزوجة على قاع أسرع وأكثر سخونة. عند الحد الفاصل بين الطبقتين، أدخلوا تموجات صغيرة، والتي تتشكل حتماً بسبب العيوب الشائعة في الطبيعة، مثل النتوءات الكامنة على الأرض أو الفقاعات في الحمم البركانية.

ثم اختبر الفريق ثبات الحمم البركانية تحت مجموعة من السرعات واللزوجة وسماكة الطبقة. كشف التحليل أنه في كثير من الحالات، أدت التغيرات في البيئة، مثل درجة ميل المنحدرات أو زيادة معدلات ثوران البركان، إلى تضخيم التموجات، مما قد يؤدي إلى اختلاط جامح – والتشكيل المحتمل للحمم البركانية aa. تقول سوكال: «يمكن أن يخرج ذلك عن السيطرة بسرعة كبيرة».

قد تساعد النمذجة الجديدة على شرح مجموعة متنوعة من الظروف التي لوحظت سابقاً أنها تؤدى إلى التحول من الحمم البركانية Pahoehoe إلى الحمم البركانية aa، أو لماذا لا يحدث ذلك على الإطلاق في بعض الأحيان. تقول أريانا سولداتي Arianna Soldati، عالمة البراكين من جامعة ولاية كارولينا الشمالية North Carolina State University، والتي لم تكن جزءاً من فريق الدراسة: «إنها إمكانية مثيرة للاهتمام حقا».

ولكن هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات لإثبات أن النمذجة تعكس الواقع تحت سطح الحمم المتوقدة. نظراً لصعوبة دراسة الحمم البركانية مباشرة، فإن أحد الاحتمالات هو اختبار النمذجة في المختبر باستخدام نظير للصخور المنصهرة مثل الشمع، كما يقترح كارلستروم.

ومع ذلك، يؤكد البحث الجديد على قيمة الدراسات التي تركز على الميكانيكا الأساسية Basic mechanics. إذ يقول كارلستروم: «أعتقد أن هذا هو المكان الذي نكتسب فيه نظرة ثاقبة في العمليات التي تقود هذه الظواهر الطبيعية واسعة النطاق».

بقلم: مايا وي-هاس

ترجمة: Google Translate

تنقيح: فريق تحرير مجلة العلوم

المصادر العلمية:

doi: 10.1126/science.adj1602

حقوق المقالة:

©2023, American Association for the Advancement of Science. All rights reserved